PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA BIOMÉDICA
LORENNA KARYNNE BEZERRA SANTOS
CARACTERIZAÇÃO DE MODELOS DE PHANTOMS DE MAMA
EM SONDA COAXIAL
CARACTERIZAÇÃO DE MODELOS DE PHANTOMS DE MAMA
EM SONDA COAXIAL
Dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica da Universidade Federal de Pernambuco PPGEB/UFPE, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Biomédica.
ORIENTADORA: Profª. Drª. Patrícia Silva Lessa. CO-ORIENTADOR: Prof. Dr. Frederico D. Nunes.
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Catalogação na fonte
Bibliotecária Margareth Malta, CRB-4 / 1198
S237c Santos, Lorenna Karynne Bezerra.
Caracterização de modelos de phantoms de mama em sonda coaxial / Lorenna Karynne Bezerra Santos. - 2016.
96 folhas, il., gráfs., tabs.
Orientadora: Profa. Dra. Patrícia Silva Lessa. Coorientador: Prof. Dr. Frederico Dias Nunes.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, 2016.
Inclui Referências.
1. Engenharia Biomédica. 2. Tomografia por micro-ondas. 3. Phantoms de mama. 4. Sonda coaxial aberta. 5. Câncer de mama. I. Lessa, Patrícia Silva. (Orientadora). II. Nunes, Frederico Dias. (Coorientador). III. Título.
UFPE
CARACTERIZAÇÃO DE MODELOS DE PHANTOMS DE MAMA EM SONDA COAXIAL
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Biomédica e aprovada em sua forma final pelo Orientador e pela Banca Examinadora.
Aprovada em: 23/08/2016.
Orientador:
Profa. Dra. Patrícia Silva Lessa (Universidade Federal de Pernambuco – Recife, Brasil)
Co-orientador:
Prof. Dr. Frederico Dias Nunes (Universidade Federal de Pernambuco – Recife, Brasil)
Banca Examinadora:
Profa. Dra. Rosa Amália Fireman Dutra, PPGEB - UFPE
Prof. Dr. Emery Cleiton Cabral Correia Lins, DES – UFPE
Coordenador do PPGEB:
Prof. Dr. Edival José Pinheiro Santos
Aos meus pais, que sempre me apóiam e incentivam na busca do meu crescimento pessoal e profissional. As minhas irmãs que mesmo longe me dão força pra continuar nessa grande jornada que é a pesquisa acadêmica.
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado a oportunidade de concluir o mestrado com êxito, por sempre guiar meus passos e por colocar pessoas incentivadoras e bondosas no meu caminho.
Agradeço a minha orientadora Profª. Patrícia Silva Lessa, pela sua amizade, dedicação, confiança, paciência e grandes ensinamentos a mim prestados em cada momento deste curso.
Agradeço a meu co-orientador Prof. Frederico Dias Nunes, pela confiança, pelos ensinamentos, pelo auxílio a minha pesquisa, pela experiência de vida a mim mostrada e pela amizade.
Agradeço a minha família, em especial aos meus pais, pelo amor e compreensão, pelo apoio, e por sempre me incentivarem na busca de novos conhecimentos.
Agradeço a meu amigo e colega de pesquisa Thiago Campos, pela amizade, pela enorme dedicação e disponibilidade para com minha pesquisa e pelos ótimos momentos de trabalho e de amizade.
Agradeço aos demais professores membros do PPGEB, pelos ensinamentos, dedicação e apoio a mim sempre prestados.
Agradeço aos colegas membros do laboratório i9, pelo auxilio e suporte quando era necessário, bem como pelos bons momentos de convivência e coleguismo diário.
Agradeço ao meu namorado e amigo, Tiago Vandevelde, pelo seu carinho e dedicação em todos os momentos.
Agradeço a minha grande amiga e colega de mestrado, Josineide Neri, pelo apoio, carinho e cumplicidade em inúmeros momentos do mestrado e da vida. Agradeço aos colegas e amigos do mestrado, principalmente à Fabiano Pereira, Priscila Mendonça, e Robson Arruda, pela cumplicidade e apoio. Agradeço a Fundação de Amparo a Ciência e Tecnologia de Pernambuco – FACEP, pelo apoio financeiro para a realização desta pesquisa, e ao Departamento de Tecnologia e Geociência da UFPE.
A sabedoria dos homens é proporcional não à sua experiência, mas à sua capacidade de adquirir experiência. (George Bernard Shaw)
O câncer de mama é um grande problema da saúde pública mundial. No Brasil, ele é responsável por cerca de 25% de novos casos de câncer a cada ano. Em 2016, espera-se aproximadamente 57.960 novos casos de câncer de mama no país. A principal ferramenta na redução da taxa de mortalidade por essa doença é o diagnóstico precoce. Apesar do uso bastante difundido da mamografia, ela apresenta algumas desvantagens em sua utilização como a exposição direta do paciente à radiação ionizante; a semelhança de densidade entre tecidos tumoral e normal; e a baixa reprodutibilidade em mamas de alta densidade. A tomografia por micro-ondas da mama é uma alternativa bastante promissora no auxílio ao diagnóstico de mama. Essa técnica de tomografia traz como vantagens, uma maior facilidade em diagnóstico precoce e de difícil localização, menor exposição da paciente; menor custo; e maior conforto à paciente. Faz-se necessário à produção de phantoms com características semelhantes ao tecido humano real, para o uso da tomografia por micro-ondas em mamas. O presente trabalho tem como objetivo principal a elaboração de um phantom de mama específico para tomografia em micro-ondas e sua caracterização através de simulações e medidas em sonda coaxial aberta. A metodologia e os materiais de escolha utilizados na confecção dos phantoms de estudo, foram retirados de pesquisas posteriores de autores reconhecidos na área. O HFSS foi o software de escolha para realização das simulações. Os resultados da simulação e as medidas experimentais dos phantoms na sonda coaxial foram compatíveis com os da literatura. Diante dos resultados, espera-se que a caracterização dos phantoms da pesquisa contribua de forma positiva para a consolidação da técnica de tomografia por microondas e que a partir dessa pesquisa seja possível a elaboração de protocolos que facilitem a produção de phantoms para pesquisas posteriores.
Palavras-chave: Tomografia por micro-ondas. Phantoms de mama. Sonda coaxial aberta. Câncer de mama.
Breast cancer is a major problem of public health worldwide. In Brazil, it is responsible for about 25% of new cases of cancer each year. In 2016, it is expected about 57,960 new cases of breast cancer in the country. The main tool in reducing the death rate from this disease is early diagnosis. Despite the widespread use of mammography, it has some disadvantages in its use as direct patient exposure to ionizing radiation; the similarity in density between tumor and the normal tissues; and low reproducibility in high-density breasts. The positron breast microwave is a very promising alternative to help diagnose breast cancer. This tomography technique has some advantages, greater ease in early diagnosis and difficult location, less exposure of the patient; lower cost; and greater comfort to the patient. It is necessary for the production of phantoms with similar characteristics to the actual human tissue, for the use of microwave tomography in breasts. This work has as main objective the development of a specific breast phantom tomography in microwave and characterization through simulations and measurements in open coaxial probe. The methodology and the choice of materials used in the manufacture of phantoms study were drawn from further research of authors recognized in the area. The HFSS was the software of choice to perform the simulations. The simulation results and experimental measurements of phantoms in coaxial probe were consistent with the literature. Given the results, it is expected that the characterization of the research phantoms contribute positively to the consolidation of microwave tomography technique and that from this research is the possible development of protocols that facilitate the production of phantoms for further research.
Keywords: Tomography microwave. Breast phantoms. Open coaxial probe. Breast cancer.
Figura 01: Representação esquemática da mama humana...18
Figura 02: Componentes de um mamógrafo...25
Figura 03: Identificação de nódulo em ecografia mamária...29
Figura 04: Equipamento de Ressonância Magnética...31
Figura 05: Faixa de energia onde as microondas são geradas...36
Figuram 06: Permissividade real e imaginária representada no modelo de Debye...37
Figura 07: Gráfico da parte real 𝜀′𝑟 e parte imaginária 𝜀"𝑟,𝑑 calculados pela equação de Debye para água destilada...42
Figura 08: Coeficientes de transmissão (T) e reflexão (Г) ... 46
Figura 09: Dispositivo de teste simples, contendo duas portas representadas por paramêtros S...47
Figura 10: Estrutura de um cabo coaxial ... 50
Figura 11: Esquema de linha de transmissão. d1 representa o diâmetro interno do condutor externo e d2 representa o diâmetro externo do condutor interno...52
Figura 12: Modelo de circuito equivalente para utilização em sonda coaxial aberta.54 Figura 13: Modelo de linha virtual ... 56
Figura 14: Modelo da sonda coaxial projetada no HFSS, incluindo o material em análise. ... 61
Figura 15: Campo magnético da sonda coaxial em contato com o meio ... 62
Figura 16: Gráfico contendo a parte real e imaginária dos padrões S11 resultantes de simulação em HSFF ... 63
Figura 17: Estrutura do conector SMA utilizado na sonda coaxial aberta ... 64
Figura 18: Medidas utilizadas para confecção da sonda coaxial. ... 64
Figura 19: a) Estrutura da sonda coaxial. b)Estrutura de alumínio produzida para a de curto...65
Figura 21: Sonda coaxial submersa em água destilada para tomada de
medidas...67
Figura 22: (a) Dados S11 do ar em medidas simuladas em comparação aos dados S11 do ar em medidas experimentais. (b) Dados S11 do teflon em medidas simuladas em comparação aos dados S11 do teflon em medidas experimentais...68
Figura 23: Phantom de mama: coloração, aspecto e dimensão após preparo e gelificação...70
Figura 24: Phantom de tumor: coloração, aspecto e dimensão após preparo e gelificação...71
Figura 25: Esquema de montagem para o phantom de mama com conteúdo tumoral...72
Figura 26: Phantom de tumor: coloração, aspecto e dimensão após preparo e gelificação...73
Figura 27: Calibração realizada no mini analisador de rede...74
Figura 28: Multímetro utilizado para aferição da temperatura das amostras...74
Figura 29: Tomada de medida experimental em phantoms...75
Figura 30: Valores reais de permissividade da água destilada à 25ºC...77
Figura 31: Valores imaginários de permissividade da água destilada à 25ºC...77
Figura 32: Valores reais de permissividade do NaCl à 1M com temperatura de 22ºC. ...78
Figura 33: Valores imaginários de permissividade do NaCl à 1M com temperatura de 22ºC...79
Figura 34: Permissividade complexa do phantom de mama à 20ºC...80
Figura 35: Condutividade (S/m) do phantom de mama à 20ºC...81
Figura 36: Permissividade complexa do phantom de mama à 20ºC...82
Figura 37: Condutividade (S/m) do phantom de mama à 20ºC...82
Figura 38: Permissividade complexa do phantom com conteúdo tumoral à 20ºC...84
Figura 40: Permissividade do phantom com conteúdo tumoral em comparação com a permissividade do phantom de mama e do phantom de tumor. Temperatura de 20ºC...85 Figura 41: Condutividade do phantom com conteúdo tumoral em comparação com a permissividade do phantom de mama e do phantom de tumor. Temperatura de 20ºC...86
Tabela 1 - Estimativas para o ano de 2016 das taxas brutas de incidência por 100 mil habitantes e do número de casos novos de câncer, segundo sexo e localização primária...20 Tabela 2: Permissividade e condutividade de alguns tecidos à 64 MHz...43
1 INTRODUÇÃO...15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...17
2.1Anatomia e morfologia da mama...17
2.2 Câncer de mama...19
2.3 Mamografia e outras técnicas de diagnóstico em mama por
imagem...23
2.3.1 Mamógrafo...24
2.3.2 Mamografia Convecional x Mamografia Digital...26
2.3.3 Ultrassonografia...28
2.3.4 Ressonância Magnética...29
2.4 Micro-ondas e imagens...32
2.4.1 Caracterização elétrica do material...33
2.4.1.1 Materiais...34
2.4.1.2 Materiais dielétricos...34
2.4.2 Phantoms...37
2.4.2.1 Materiais comumente utilizados na produção de phantoms...38
2.4.2.2 Propriedades elétricas da água destilada...40
2.4.2.3 Propriedades elétricas dos tecidos biológicos...42
2.4.3Métodos em microondas...44
2.5 Os príncipios da análise de rede...45
2.5.1Parâmetros S...46
2.5.2 Medidas relacionadas com reflexão de sinais de radiofrequência (RF)...48
2.5.3 Cabo coaxial e linha de transmissão...50
2.5.4 Impedância característica...51
2.5.5 Linhas de transmissão coaxial aberta...53
2.5.5.1 Modelo de radiação...54
3 OBJETIVOS...59
3.1 Objetivo geral...59
3.2 Objetivos específicos...59
4 METODOLOGIA...60
4.1 Simulação numérica...60
4.2 Construção de Sonda Coaxial Aberta...63
4.3 Construção dos Phantoms...69
4.3.1 Estudos experimentais...73
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO...76
5.1 Validação da sonda para obtenção de permissividade...76
5.2 Caracterização dielétrica do Phantom de Mama e Phantom
de Tumor...79
5.3 Caracterização dielétrica do Phantom com conteúdo
Tumoral...83
6 CONCLUSÃO E SUGESTÕES...86
6.1 Sugestões para trabalhos futuros...87
1. INTRODUÇÃO
O câncer de mama representa um grave problema na saúde mundial devido as suas elevadas taxas de morbidade e mortalidade. A incidência dessa neoplasia vem crescendo em ritmo acelerado nas últimas décadas, isso ocorre também em áreas onde a incidência é baixa. No Brasil apesar dos esforços das políticas em saúde na prevenção e no tratamento desse tipo de patologia, os números não cedem. Esses fatores motivam discussões que envolvem medidas na obtenção de diagnóstico precoce e com isso, uma possível redução em sua morbidade e mortalidade (PAULINELLI et al., 2003).
Desde o século passado táticas utilizadas no controle do câncer de mama são efetuadas no país, porém, foi somente em décadas mais recentes que os programas de controle do câncer de mama foram criados e introduzidos nas políticas de saúde com maior ênfase. Os programas de combate ao câncer de mama se definem como um grupo de medidas regularizadas, que tem como principal intuito a redução da incidência, da morbidade e da mortalidade do câncer de mama em uma determinada população. Nos países com rendas baixas e médias, os cânceres de mama são diagnosticados em sua maioria já em estágios avançados, o que diminui drasticamente o prognóstico. Muitas vezes o tratamento não é efetivo em casos avançados, por conseguinte, a qualidade de vida dos pacientes é comprometida. O rastreamento identifica lesões em pacientes assintomáticas e consequentemente leva a uma detecção precoce do câncer de mama melhorando assim, o prognóstico e diminuindo a morbidade em quem faz tratamento (INCA, 2015).
A mamografia ainda é considerada nos dias de hoje como a técnica de imagem mais importante e mais usual no diagnóstico de câncer de mama. É o principal método de escolha para rastreio de câncer de mama em mulheres assintomáticas e o mais utilizado para acompanhamento de lesões e alterações clínicas em mamas. Seu uso é bastante comum e disseminado na maioria do território nacional, porém estudos apontam inúmeras desvantagens da técnica nos diagnósticos em fase inicial. O alto custo e a manutenção dos mamógrafos também trazem um pouco de dificuldade no acesso a esse método de diagnóstico. Várias técnicas para auxílio e até uma possíve
lsubstituição da mamografia estão em andamento em todo mundo (CHALA E BARROS, 2007).
Segundo Ostadrahimi e colaboradores (Ostadrahimi, 2009), a tomografia por micro-ondas vem sendo revelada com um método de imagens biomédicas de grande potencial, em especial imagens de mama. Resumidamente, esse método usa energia de micro-ondas de fontes única ou múltiplas para caracterizar (detectar) diferentes tecidos humanos, a partir de suas propriedades dielétricas. Esse método permite um diagnóstico clínico do câncer de mama, a partir do conhecimento das propriedades dielétricas dos diferentes tecidos constituintes da mama, bem como das diferenças entre tecido de mama sadio e tecido de mama com tumor. A tomografia de mamas por micro-ondas apresenta várias vantagens sobre as modalidades mais tradicionais, tais como: a utilização de radiação não ionizante, o baixo custo, mais conforto durante o exame e a capacidade de fornecer imagens funcionais da doença em estados menos avançado (SEMENOV et al., 2011).
Sabe-se que, os equipamentos de imagens médicas diagnósticas ou terapêuticas necessitam de um dispositivo simulador, chamado fantoma, para testar, simular e calibrar a eficiência e a eficácia das técnicas de imagem. Fantoma, conhecido também por phantom, é um material sintético com características semelhantes a dos tecidos humanos e têm como principal função o auxílio de pesquisas em diagnósticos por imagens. Através dos phantoms, os pesquisadores podem fazer testes e medidas simulando um tecido humano “in vivo”. Para se criar um phantom específico para micro-ondas se utiliza misturas de diversos componentes com características dielétricas próximas ao tecido humano a fim de se obter as propriedades necessárias para um determinado fim de pesquisa (PALACIOS et al., 2010). Percebe-se a necessidade de se conhecer, desenvolver e aperfeiçoar phantoms específicos para o uso em tomografia por micro-ondas, possibilitando avaliar as imagens dos tecidos mamários através de suas propriedades dielétricas, como condutividade e permissividade.
Frente ao que foi exposto, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar phantoms de mama baseando-se em estudos anteriores, fazendo com que o mesmo venha a servir de base para o conhecimento, melhoramento e aplicação da técnica de tomografia por
micro-ondas. A proposta visa também desenvolver protocolos que sirvam de base para a confecção de phantoms de mama para uso e melhoramento da técnica de tomografia por micro-ondas em mama.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Anatomia e morfologia da mama
A mama, que tem como componente principal a glândula mamária, está presente em todos os mamíferos e tem como função a lactação. Apesar de ser encontrada em ambos os gêneros, a mama só é desenvolvida no gênero feminino, no gênero masculino a mesma se apresenta com hipotrofia e sem função determinada. As mamas femininas começam a se desenvolver próximo a puberdade, onde sofre estímulos no seu crescimento graças a aumento dos níveis de estrógenos. A mama é constituída por tecido conjuntivo, tecido glandular mamário e tecido adiposo (GUYTON; HALL, 2006).
As glândulas mamárias são classificadas como glândulas sudoríparas modificadas e estão localizadas entre os músculos serrátil anterior e peitoral maior (fáscia profunda); sua ligação a esses músculos se dá através do tecido conjuntivo, a faixa de tecido conjuntivo que separa a mama da fáscia profunda é conhecida por espaço retromamário. O tecido adiposo é abundante na mama e se encontra em localização periférica (TORTORA, 2007). Os tecidos que compõe a mama são o tecido fibroso que une os lóbulos ao tecido adiposo, o tecido glandular que comporta os lóbulos e os ductos e o tecido adiposo que (conjunto de ductos e lóbulos) juntamente com tecido fibroso (parte que une os lóbulos e o tecido adiposo) e tecido adiposo que ocupa os espaços interlobulares (BONTRAGER, 2006). Pode-se ver a estrutura anatômica da mama na Figura 1.
Figura 1 - Representação esquemática da mama humana
Fonte: BOTELHO, 2009.
Os ductos e lóbulos secretores compõem as glândulas mamárias e são responsáveis pela formação de 15 a 20 ductos lactíferos, que penetram e terminam na papila mamária. A aréola é uma área de tecido epitelial de tonalidade mais escura que se encontra rodeando a papila mamária. Algumas regiões do estroma mamário se encorpam formando os ligamentos suspensores que são ligados ao epitélio da derme dando sustentação a mama. A mama está localizada na fáscia profunda relacionada com o músculo peitoral maior, no qual uma camada de tecido conjuntivo frouxo, denominado espaço retromamário separa a mama da fáscia profunda (DRAKE et al., 2006).
A mama é considerada uma estrutura peculiar uma vez que não se encontra totalmente desenvolvida no nascimento, sofrendo assim diversas alterações cíclicas durante a vida reprodutiva no gênero feminino. Na puberdade e bem no início da menarca, os ductos terminais originam os lóbulos e concomitantemente o estroma interlobular se expande. Nos ciclos menstruais conseguintes, onde naturalmente ocorre ovulação, a proliferação
das células formadoras do parênquima ganha um aumento significativo e o estroma mamário consegue uma característica edematosa. Após a ovulação, caso a mulher não engravide (condição de não-grávida), ocorre a menstruação e junto a ela uma queda dos níveis hormonais que diminuem o volume mamário e esse ciclo vai ocorrendo mensalmente até uma possível gestação. A mama só alcança sua maturidade morfológica e sua atividade funcional no início da gestação quando se prepara para a fase de lactação. Quando a fase de lactação acaba, a glândula reverte a uma condição de não-grávida, e seu volume vai diminuindo progressivamente até o término da vida reprodutiva na mulher (KUMAR et al., 2005)
2.2 Câncer de mama
No mundo, o câncer de mama é o mais incidente e o de maior taxa de mortalidade na população feminina, esses índices são encontrados tanto em países desenvolvidos como em países subdesenvolvidos. No Brasil, essa situação não é diferente, o câncer de mama é o segundo câncer em índices na população feminina, ficando atrás somente do carcinoma não melanona de pele e responde por cerca de 25% dos casos de câncer a cada ano. Nos homens o câncer de mama também acontece, porém são casos bastante raros e representam menos de 1% do total de casos dessa doença. No Brasil, no ano de 2016, são esperados 57.960 novos casos de câncer de mama, com um risco estimado de 56,20 casos a cada 100 mil mulheres (Tabela 1). Não considerando os tumores de pele não melanoma, o câncer de mama também é o mais frequente nas mulheres das Regiões Sudeste (68,08/100 mil), Sul (74,30/100 mil), Nordeste (38,74/100 mil) e Centro- -Oeste (55,87/100 mil). Na região Norte, é o segundo tumor mais incidente (22,26/100 mil) perdendo em números apenas, para o câncer de colo do útero (INCA, 2015).
Tabela 1 - Estimativas para o ano de 2016 das taxas brutas de incidência por 100 mil
habitantes e do número de casos novos de câncer, segundo sexo e localização primária.
Fonte: INCA, 2015.
Uma das principais formas de diminuir as taxas de mortalidade e morbidade do câncer de mama é através do diagnóstico precoce. Os exames de toque ou palpação mamária e a mamografia são os métodos utilizados para esse fim de diagnóstico. A palpação mamária pode ser realizada pela própria mulher ou por profissionais treinados da rede médica e deve ser realizado todos os meses.Nas mulheres em fase reprodutiva, o toque mamário é realizado no sétimo dia do ciclo menstrual, já nas mulheres menopausadas, recomenda-se a escolha de um único dia do mês para realização do toque. Para que esse método de detecção precoce obtenha bons resultados e bons números em base populacional, tem que ter campanhas motivacionais que mostrem o
perigo potencial do câncer de mama. O ensino dessa técnica alerta as mulheres sobre os riscos que a doença acarreta (MOLINA et al., 2003).
Provavelmente o câncer de mama é a patologia mais temida pelas mulheres e isso ocorre devido ao impacto psicológico que o mesmo provoca. Após a descoberta da doença geralmente, a imagem pessoal e a sua sexualidade passa a ser vista de uma forma negativa, causando um transtorno físico e psíquico maior do que os observáveis nos demais tipo de câncer. A detecção precoce, ou seja, a descoberta dos tumores que ainda não apresentam sinais e sintomas é essencial para aumentar as chances de cura e sucesso do tratamento (BRASIL, 2009).
A faixa etária é um importante fator de risco para o desenvolvimento do câncer de mama. A incidência dessa patologia é crescente a partir dos 25 anos de idade. A maioria dos casos se apresenta em mulheres com idades acima de 45 anos. Em cada oito casos de câncer de mama, um é detectado em mulheres com menos de 45 anos, já nas mulheres com faixa etária de 55 anos ou mais, dois de cada três casos de câncer de mama são encontrados nas mesmas. A incidência de câncer de mama em mulheres com menos de 25 anos é bastante rara (American cancer society, 2013).
As causas reais do aparecimento do câncer de mama não são bem conhecidas, mas estudos são feitos para verificar a associação da doença com outros fatores de risco importantes como o estilo de vida (sedentarismo, tabagismo, hábitos alimentares, obesidade), uso de determinados medicamentos e hereditariedade, sendo a maioria dessas associações já aceitas pela comunidade científica. Outros fatores de risco estão ligados ao aumento da incidência de câncer, de maneira geral, como os fatores de natureza ambiental (poluição, exposição a agentes químicos cancerígenos) e o aumento da expectativa de vida da população, que acaba por aumentar a exposição aos demais fatores de risco (LEITE, 2002). Além dos fatores de risco, os grupos populacionais de risco elevado para o desenvolvimento do câncer de mama também são bastante estudados. Dentre os grupos de risco para desenvolvimento de câncer de mama se destacam: mulheres com história familiar de pelo menos um parente de primeiro grau com diagnóstico de câncer de mama, abaixo dos 50 anos de idade; mulheres com história familiar de pelo menos um parente de primeiro grau com diagnóstico de câncer de mama
bilateral ou câncer de ovário, em qualquer faixa etária; mulheres com história familiar de câncer de mama masculino e mulheres com diagnóstico histopatológico de lesão mamária proliferativa com atipia ou neoplasia lobular in situ (INCA, 2014).
No Brasil, se utiliza como principal estratégia de rastreamento do câncer de mama a realização do exame mamográfico. O Ministério da Saúde do Brasil,preconiza o rastreamento por meio do exame clínico da mama, para as todas as mulheres a partir de 40 anos de idade, realizado anualmente. Este procedimento é ainda compreendido como parte do atendimento integral à saúde da mulher, devendo ser realizado em todas as consultas clínicas, independente da faixa etária. A mamografia fica obrigatória, para as mulheres com idade entre 50 a 69 anos, com o máximo de dois anos entre os exames. Já para as mulheres que pertencem aos grupos de risco elevado para desenvolvimento de câncer de mama o exame clínico da mama e mamografia anual, a partir dos 35 anos, tem o acesso garantido pelo SUS bem como o tratamento e o acompanhamento para todas as mulheres com alterações nos exames realizados (BRASIL, 2004).
Com o avanço da tecnologia e com o impacto negativo do câncer de mama na saúde mundial, nas últimas três décadas os métodos de diagnóstico por imagem assumiram um papel preponderante no diagnóstico dos processos patológicos das glândulas mamárias. Esse tipo de diagnóstico é considerado instrumento fundamental dos Programas de Saúde Pública para diminuir a morbidade e a mortalidade por carcinomas primários localizados na mama (WINCHESTER et al., 2000). A mamografia é considerada padrão ouro para rastreio e diagnóstico da neoplasia mamária. Apesar de seu uso ser bastante comum em todo mundo, essa técnica apresenta problemas em garantir qualidade e isso delibera uma coleção de limitações em sua aplicabilidade clínica. Mesmo em estados ótimos de funcionamento a sensibilidade (capacidade de indentificar a patologia) da mamografia tem uma variação considerável, essa sensibilidade diminui em mamas com maior densidade geralmente encontradas em mulheres jovens. Sua especificidade (capacidade de diferenciar individuos sadios e doentes) é considerada moderada à baixa, visto que uma grande parte das lesões benignas inicia com calcificações
teciduais, confundidas muitas vezes com lesões malignas (ORTEGA et al., 2005).
A mamografia geralmente é utilizada em duas situações: a primeira seria em programas de rastreamento fazendo parte da estratégia de diagnóstico precoce em mulheres assintomáticas; a segunda seria na investigação de diagnóstico em mulheres que apresentam sinais e sintomas da presença de algum tipo de neoplasia mamária. No primeiro caso o objetivo é a detecção de neoplasia em fase inicial onde o prognóstico é mais favorável e no segundo caso o objetivo é o auxílio na solução do problema por meio de imagens que auxiliem a conduta médica, juntamente com sintomas clínicos pré-existentes (BRASIL, 2004).
2.3 Mamografia e outras técnicas de diagnóstico em mama por
imagem
A radiografia da mama, conhecida como mamografia, é o método de rastreamento do câncer de mama mais conhecido e utilizado pela comunidade médica, essa técnica tem como objetivo principal a redução da taxa de mortalidade. Através da sua utilização tornou-se possível o aumento da detecção de casos em estágios iniciais da doença (FEIG, 2006). Essa técnica de diagnóstico é realizada através de equipamentos que utilizam radiação ionizante, projetados especificamente para diagnósticos em mama. A mamografia se define por uma técnica de imagem não invasiva imensamente útil e com inúmeras vantagens para a detecção do câncer de mama;através da sua utilização se tornou possível a detecção de pequenas estruturas tai como as microcalcificações, da ordem de 0,25 mm de diâmetro, que geralmente estão associadas a tumores de mama em fase inicial (IAEA, 2005).
A técnica de mamografia tem como objetivo a produção de imagens que mostrem em detalhes as estruturas internas da mama e com isso gerar uma maior possibilidade de bons resultados no diagnóstico precoce do câncer de mama. A mamografia até hoje é considerada um dos métodos mais efetivos no diagnóstico mamário, num exame que mostre uma alta qualidade, é possível se ter uma visualização de 85% a 90% de tumores em fases iniciais, ou seja, tumores mais superficiais que ainda não atingiram a glândula mamária, em
mulheres com mais de 50 anos de idade o que leva a um prognóstico bastante promissor (CALDAS, 2005).
A mamografia, abundantemente utilizada nos dias de hoje, causou grande impacto na saúde pública, com eficácia comprovada através de inúmeros estudos, onde mostravam uma redução da mortalidade por câncer de mama (CHALA E BARROS, 2007). Uma redução significativa nas taxas de mortalidade em mulheres convidadas a participar de rastreamento mamográfico dos grupos de rastreio é mostrada em ensaios clínicos randomizados. Entretanto, a efetividade do rastreamento está diretamente relacionada à qualidade e ao desempenho de equipamentos, materiais e procedimentos empregados na mamografia (HENDRICK E HELVIE, 2011).
Se compararmos as técnicas de radiografia convencional com a mamografia, verifica-se que a radiografia da mama aciona o mais alto padrão técnico na sua execução. Isso se dá pela própria anatomia mamária, pela natureza dos tecidos que compõe o órgão bem como pela geometria peculiar com que a mama precisa ser radiografada. Além do mais, a mamografia é um método comumente utilizado no diagnóstico precoce do câncer, frente a isso se faz necessário que o mesmo seja realizado dentro de um nível mínimo de risco oriundo da radiação. Logo, a exposição de mulheres assintomáticas à radiação de uma mamografia deve ser o mínimo conciliável com uma imagem de alto padrão de qualidade (HENDRICK, 2011).
2.3.1Mamógrafo
Os aparelhos utilizados para a efetuação de exames de mamografia são conhecidos pelo nome de mamógrafo. Nos mamógrafos, os tubos que fornecem o feixe de raio X são programados para fornecerem radiações moles (15 Kev a 16 Kev) que não causam danos irreversíveis na mama e que são capazes de produzir imagens otimizadas. O design desses equipamentos são projetados de uma forma que possibilite a passagem de um feixe de raio X tangente à parede do tórax, assim o feixe atinge as estruturas mamárias próximas a parede do tórax da mesma forma que limita o campo de radiação, deixando o mesmo apenas restrito à área necessário para o diagnóstico.à área
requerida. Na Figura 02 podem-se observar os principais elementos de um mamógrafo. Os mamógrafos são compostos por um tubo de raios X, uma mesa de apoio a mama, um gerador elétrico, uma placa de compressão, um receptor de imagem e um dispositivo de controle automático de exposição (DANTAS, 2010).
Figura 02: Componentes de um mamógrafo.
Fonte: DANTAS, 2010.
O ânodo que compõe o tubo de raios X utiliza frequentemente uma angulação de 10º a 20º, essa angulação serve para aumentar a área efetiva do alvo e com isso diminuir o tamanho do ponto focal. A partir dessa angulação se produz o Efeito Anódico, quando os raios X produzidos na direção do anodo sofrem um enfraquecimento, isso leva a uma maior intensidade de raios X no lado do catodo. O Efeito Anódico é de suma importância na conquista de uma densidade óptica mais homogênea no filme, posto que do lado do catodo esta localizada a parede torácica, isto é, a região de maior espessura da mama (DANTAS, 2010).
Em um aparelho de mamografia por raios X, os materiais do filtro e do ânodo designam a forma do espectro reproduzido pelo tubo. Os componentes dessas estruturas emitem um espectro rico em fótons com energia rente a da faixa ótima, resultando num alto contraste do objeto, evitando dessa forma,
uma dose exagerada de radiação. O material constituinte do ânodo bem como seu número atômico determina a energia dos fótons emitidos no raio X característico. O ânodo pode ser é constituído por matérias como o Ródio (Rh) e Molibdênio (Mo); essas substâncias têm alto ponto de fusão e suportam até 2.380ºC (LIMA et al., 2015). Os mamógrafos que possuem um ânodo constituído de Molibdênio oferecem um espectro ideal para mamas de pequeno e médio porte, no tempo em que os mamógrafos que possuem ânodo construído de Ródio emitem um espectro de energia que é mais eficiente em mamas com uma densidade maior, os mamógrafos com ânodo de Tungstênio são ideais para mamas com densidade excessiva (SANTOS, 2010). Durante muitos anos a utilização da combinação ânodo-filtro de Mo/Mo foi considerada padrão ouro para mamografia convencional. Com o aumento das pesquisas e do uso da detecção digital, outras combinações de ânodo-filtro, como Mo/Rh, Rh/Rh, W/Rh vêm ganhando espaço na comunidade científica (LIMA et al., 2015).
2.3.2 Mamografia Convencional x Mamografia Digital
A mamografia é considerada padrão-ouro, sendo a técnica de imagem de escolha indicada na avaliação da maior parte das alterações clínicas nas mamas. A aprovação de que o rastreamento feito por diagnóstico em mamografia diminui a mortalidade pelo câncer de mama em mulheres assintomáticas é unânime (FLETCHER e ELMORE, 2003).
A mamografia traz inúmeros benefícios associados ao diagnóstico precoce como a multiplicação das opções de tratamento, o aumento das chances de um tratamento de sucesso bem como o aumento da sobrevida dessas pacientes. Atualmente existem dois tipos de formação de imagem nos equipamentos mamográficos. O ramo da mamografia está em constante evolução, e a busca pelo aprimoramento dessa técnica não é constante. O exame mamográfico com o tempo se dividiu em duas gerações, a primeira geração é formada pelo conjunto filme-écran e representa a mamografia convencional, já a segunda geração é caracterizada pelos receptores digitais e define como mamografia digital. O método de se obter a imagem na
mamografia (filme/receptor digital) é que sistematiza a maioria das diferenças entre a mamografia convencional e a mamografia digital. No método de mamografia convencional o filme representa o meio de aquisição, o meio de exposição e o meio de armazenamento da imagem mamográfica, e mesmo queo mesmo consiga produzir imagens com alta resolução espacial e bom contraste, a margem para se obter melhorias é bem baixa. Já no caso do exame de mamografia digital, os processos que envolvem a aquisição, a exposição e o armazenamento são desmembrados, ou seja, por serem feitos de forma separada os mesmos podem ser aperfeiçoados individualmente. O estudo das imagens por mamografia digital é feito por meio de monitores de alta resolução, essa tecnologia proporciona métodos de processamentos que podem melhorar o contraste das imagens. A mamografia digital contribui na incorporação de uma sucessão de novas tecnologias como a tomossíntese, o CAD (computer aided detection), o uso de contraste intravenoso e a interpretação a distância do exame (CHALA e BARROS, 2007).
No meio científico, há inúmeros estudos comparando as duas gerações de mamografia. Um dos maiores estudos nessa linha de pesquisa comparou a mamografia convencional com a digital em exames de 42.760 mulheres. A conclusão foi que a precisão do diagnóstico do câncer de mama na mamografia convencional e na digital foi bastante similar. No entanto, a mamografia digital mostrou uma melhor precisão de diagnóstico em mulheres como menos de 50 anos, mulheres de mama com maior densidade e em mulheres na pré-menopausa e pós-menopausa. O debate da melhor acurácia da mamografia digital frente à mamografia convencional ainda é objeto de estudo. Atualmente as duas técnicas são utilizadas para fins de rastreamento do câncer de mama, a escolha de uma técnica ou de outra vai depender do profissional, do custo, do local, etc (PISANO et al., 2005). A capacidade da mamografia em detectar o câncer de mama varia entre as mulheres e sua sensibilidade pode ser diminuída em mamas densas ou em tumores que se encontrem em estágio inicial. Por conseguinte, outras técnicas de imagem alternativas para rastrear o câncer de mama vêm sendo aplicadas e incluem, principalmente, a ultrassonografia mamária e a ressonância magnética (BARTON et al., 1999).
2.3.3 Ultrassonografia
A técnica de ultrassonografia ganhou importância do diagnóstico em mamas por meados da década de 90. Com o desenvolvimento de transdutores lineares com frequências reduzidas a técnica ganhou bons avanços. Nos dias atuais, com a criação e uso de sistemas multifrequenciais, a técnica obteve uma grande melhora na qualidade de suas imagens. Recentemente, devido ao progresso na área da informática, a definição das imagens foi aprimorada resultando em um manuseio através de processadores e monitores digitais de alta resolução (SONDERMANN et al., 2011). A utilização da ultrassonografia mamária não tem contra-indicações, possui uma realização rápida, indolor, sem limitação em faixa etária e na sua aplicação não se usa radiação ionizante ou contraste. Devido a suas vantagens, essa técnica vem sendo cada vez mais utilizada pela comunidade médica. Porém, frente a tantos benefícios a ultrassonografia de mama é utilizada erroneamente na substituição da mamografia pela população menos esclarecida (CALAS et al., 2011).
O ultrassom vem ganhando um papel crescente no diagnóstico de mama. Além de detectar lesões ocultas à mamografia, ajuda na diferenciação entre nódulos císticos e sólidos e na caracterização do grau de suspeição dos nódulos sólidos. Com a utilização e estudo de parâmetros morfométricos (tamanho do tumor, presença ou não de comprometimento por neoplasia das ínguas axilares, formato das células, entre outros) pode-se ter uma melhor distinção entre lesões benignas e malignas, sendo a razão entre a largura e a profundidade da lesão um parâmetro com bons resultados e de fácil execução (CALAS, et al., 2011).O emprego da ultrassonografia é bastante diversificado e suas principais indicações em mama são: uso na caracterização e diferenciação de cistos e nódulos sólidos identificados no exame clínico e na mamografia, na avaliação de mamas em gestantes, pacientes jovens e lactantes, na orientação de procedimentos clínicos nas mamas, avaliação das mastites, auxílio no diagnóstico de cistos e tumores em mamas radiologicamente densas, na avaliação de próteses mamárias, na avaliação da resposta a tratamentos terapêuticos como a quimioterapia, entre outras. Por obter imagens de alta qualidade e em tempo real, a monitoração de procedimentos invasivos para diagnóstico de lesões mamárias visíveis na
ecografia (Figura 03) é uma de suas principais indicações (CHALA e BARROS, 2007).
Figura 03: Identificação de nódulo em ecografia mamária.
Fonte: VASCONCELOS et al, 2011.
A necessidade do uso da ultrassonografia mamária no auxílio à mamografia em diagnósticos de mamas densas é bastante discutido, em razão dos bons resultados, já que a ultrassonografia mostra lesões ocultas não mostradas na mamografia e no exame clínico de pacientes com esse tipo de mama. Porém o uso dessa técnica não é de primeira escolha no diagnóstico de câncer de mama, posto que o mesmo é um pouco limitado na detecção de calcificações e nódulos submersos em tecido adiposo. A deficiência da ultrassonografia no diagnóstico de microcalcificações é alarmante, dado que os carcinomas ductais in situ se apresentam em sua maioria dessa forma. (CHALA e BARROS, 2007).
2.3.4 Ressonância Magnética
A Ressonância Magnética foi utilizada no estudo da mama em 1986 pela primeira vez, a partir de então, essa nova técnica em diagnóstico obteve significativos avanços. A Ressonância magnética em mama se revelou
promissora no estudo do câncer e na avaliação de patologias mamárias objetivando uma maior precisão tanto no câncer primário como também do câncer recorrente (MUSSURAKIS S. et al., 1997). Geralmente se usa o auxílio da ressonância magnética em mama quando o diagnóstico gerado pela mamografia e/ou ultrassonografia mamária são inconclusivos ou divergentes. O uso da ressonância magnética em mama tem função de melhorar o estudo da extensão local do câncer ou multicêntrico em pacientes com uma possível necessidade de cirurgia conservadora. Uma característica promissora da ressonância em mama é a sua alta sensibilidade, porém, sua especificidade baixa ainda é vista como um grande problema na sua validação para esse tipo de diagnóstico (KUHL C.K, 2007).
Na caracterização e detecção de lesões mamárias a ressonância magnética tem mostrado excelentes resultados. Com uso dessa técnica em diagnóstico, surgiram inovadores conceitos associados à angiogênese e suprimento vascular tumoral. As principais indicações da ressonância magnética são: avaliação de achados inconclusivos na mamografia ou na ultrassonografia, planejamento cirúrgico em mama e análise de resposta a tratamento e estadiamento de tumor (BOETES C. et al., 1995). Quando se utiliza a sequência de difusão gerada pela ressonância magnética, torna-se possível a diferenciação de algumas lesões benignas frente as malignas. Muito se indaga se a análise morfológica da mamografia é suficiente na avaliação da mama ou se junto a ela há a necessidade da avaliação do comportamento vascular e metabólico das lesões (BOEGNER W. et al., 2009). Seu formato multiplanar, forma tridimensional e o seu forte contraste tecidual contribuem para a obtenção de detalhes nas estruturas anatômicas da mama facilitando o diagnóstico (KUHL C. K, 2007).
A ressonância magnética apresenta uma alta sensibilidade na caracterização dos tumores de mama porém, uma falta de diferenciação de achados benignos e malignos ainda acontece, resultando em uma especificidade bastante variável e pouco confiável (MAKURA K.J, et al., 2006). Geralmente os falso-positivos que ocorrem na ressonância magnética estão relacionados a alterações no ciclo menstrual ou terapia hormonal, a presença de alterações proliferativas, papilomas ou fibroadenomas nas mamas; devido á isso, em muitas das vezes não se torna ideal realizar o diagnóstico diferencial
entre lesões benignas e malignas baseando-se utilizando apenas a técnica de ressonância mamária convencional. Atualmente, estudos têm buscado a melhora da especificidade dessa técnica com o uso de imagens pesadas em difusão (WESTEIN S.P, 2001).
A ressonância magnética de mama usa uma tecnologia não-invasiva que produz uma imagem interna da mama através em diversos planos: axial, sagital e coronal; o que proporcional uma maior compreensão da estrutura mamária como um todo. Os equipamentos de ressonância são constituídos de um campo magnético estático e forte contendo um orifício central, supercondutores (entre 0.5 e 3 Tesla), um segundo campo magnético (gradiente), transmissores e receptores de ondas de rádio (bobinas) e computadores com grande capacidade para cálculos, manipulação e armazenamento das imagens (Figura 04). A maior parte das pesquisas de imagem por ressonância magnética mamária relatadas utiliza equipamentos de alto campo, isso se deve à uma grande relação sinal-ruído, a uma maior definição do realce pelo meio de contraste nos equipamentos de alto campo e ao maior desempenho na técnica com supressão de gordura. Os aparelhos de baixo campo trazem uma menor relação sinal-ruído, o que acarreta em perdas da resolução espacial e das técnicas de supressão de gordura (OREL S.G. et al., 2001).
Figura 04: Equipamento de Ressonância Magnética.
Fonte:http://www.megaimagem.com.br/ressonanciamagnetica-tesla.aspx.
Apesar de inovadoras e da boa capacidade de identificação do câncer de mama, as técnicas usuais até aqui citadas, trazem consigo algumas desvantagens; frente à isso, novas técnicas de detecção de câncer em mama
são procuradas e a tomografia por micro-ondas é uma técnica bastante promissora para este fim de diagnóstico.
2.4 Micro-ondas e imagens
Micro-ondas são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda que variam de 1mm à 1m no espaço livre. Sua frequência é vasta, se estende na faixa de 300 MHz a 30 GHz, respectivamente. Acordos internacionais regulamentaram o uso de diferentes partes do espectro, porém as frequências de 915 MHz e 2,45 GHz são as mais comumente utilizadas para fins industrial, científicos e médicos (METAXAS e MEREDITH, 1993). A produção de imagem através da utilização de ondas eletromagnéticas não ionizantes na faixa de frequência de micro-ondas é uma nova tecnologia. Essa técnica apresenta grande potencial em criar aplicações no campo da medicina de diagnóstico. O uso de micro-ondas na obtenção de imagem da mama vem sendo intensamente pesquisado na última década, uma vez que existem diferenças nas propriedades dielétricas de tecidos da mama saudáveis comparados ao tecido tumoral (FEAR, 2005). Nos últimos anos, a tomografia por micro-ondas tem atraído considerável interesse como uma modalidade promissora de imagem para detecção precoce do câncer de mama (KRUGER, R. A. et al., 2003) (YAO, L. et al., 2010).
A grande motivação do uso dessa técnica é uma possível melhora na visualização fisiológica especialmente em tecidos moles, ou seja, tecidos menos densos. A técnica de micro-ondas baseia-se em interações moleculares (dielétricas), diferente da técnica de mamografia que se baseia em observações anatômicas. Na técnica de mamografia a densidade mamária interfere diretamente no contraste das imagens geradas, podendo muitas vezes mascarar resultados positivos já na técnica de tomografia por micro-ondas, a densidade mamária não causa tantas interferências no contraste das imagens. Outra vantagem dessa técnica de imagem é que interagindo com micro-ondas, os tecidos que apresentam malignidade causam uma dispersão significativa das mesmas se comparados ao tecido normal. Isso se dar ao fato que o tecido mamário maligno apresenta em sua composição um teor superior de água frente a um tecido de mama normal. Em análises de tumores benignos,
estudos com essa nova técnica mostraram contraste superior à imagem por mamógrafo (CHAUDHARY, 1991). Além do alto contraste, também está presente os benefícios ganhos pelo alto poder de penetração das micro-ondas, que resulta em imagens mais detalhadas (GAO F. et al., 2013) (MEANEY P.M. et al., 2000).
É bem conhecido que existe uma diferença significativa no caráter dielétrico entre tecidos normais e malignos da mama. Também tem sido relatada que no intervalo de 300 a 500 MHz, a absorção de micro-ondas de tumores é 2-5 vezes mais forte comparadas ao tecido mamário normal (NIE, l. et al., 2014). Estas observações sugerem que tomografia por micro-ondas, operando em baixas frequências (0,1 GHz à 3,0 GHz), pode ser uma boa candidata para a detecção de tumores de mama, além de poder conferir uma localização tridimensional da imagem (FENG, X. et al., 2013) (YANG, S. et al., 2007).
2.4.1 Caracterização elétrica do material
O estudo das propriedades em frequências de micro-ondas bem como a aplicação delas em diversos materiais são áreas muito ativas nas ciências de materiais, física, engenharia elétrica, eletrônica e biomédica. Para se desenvolver determinados circuitos com altas frequências, se faz necessário uma vasta compreensão das propriedades elétricas dos materiais que opera nesse tipo de frequência (Waser, 2003). Portanto, uma área muito importante em eletrônica de micro-ondas para muitas indústrias e cientistas é a caracterização de propriedades de materiais. A caracterização dos materiais na faixa de micro-ondas se dá através do estudo de parâmetros eletromagnéticos como a permissividade e condutividade (CHEN et al., 2004).
A caracterização das propriedades eletromagnéticas em frequência de micro-ondas é pesquisada desde meados de 1950, grandes avanços ocorreram nas últimas décadas e com isso diversas técnicas têm sido criadas. No entanto para se desenvolver produtos que utilizam frequência de micro-ondas é necessário certo domínio das propriedades eletromagnéticas dos materiais a serem utilizados (KNOTT et al., 2004).
2.4.1.1 Materiais
Os materiais são divididos em condutores, semicondutores e isolantes. Os materiais condutores possibilitam o estabelecimento de um fluxo de elétrons em seu meio. Esses elétrons migram entre os átomos quando recebem impulsos magnéticos o que gera uma corrente elétrica, devido a essa propriedade são considerados ótimos em conduzir energia e geralmente são constituídos por metal. Nos materiais isolantes, os elétrons são fixos nos átomos, quando recebem impulso magnético não formam correntes elétricas, devido a essa propriedade são usados como isoladores elétricos. Exemplos clássicos são o vidro e o plástico. Os materiais semicondutores possuem características peculiares, transferem pouca energia o que não os tornam bons condutores e devido a essa baixa condução de energia, também não são bons isolantes. Geralmente são bastante utilizados em equipamentos de eletrônica.
Os materiais que não sofrem influência de campo magnético são chamados de materiais não magnéticos ou materiais dielétricos, e são conhecidos por suas propriedades isoladoras. Esses elementos têm um comportamento magnético e elétrico bastante peculiar que é determinado por dois parâmetros: permissividade (ε) representada pela equação (2.1) e permeabilidade (µ) representada pela equação (2.2).
ε = ε´ − jε´´ (2.1) μ = μ´ − jμ´´ (2.2) 2.4.1.2 Materiais dielétricos
A permissividade dielétrica é uma constante que representa a capacidade de polarização de um determinado material frente a um campo elétrico. Já a permeabilidade elétrica representa a quantidade de magnetização que um dado material adquire em resposta a um campo magnético. A interação da matéria com os campos elétrico e magnético pode ser observada de duas maneiras: troca de energia e dissipação de energia. A permeabilidade e a permissividade são compostas de parte imaginária e parte real, onde a parte
real (ε´ e µ´) representa a troca de energia e a parte imaginária (ε´´ e µ´´) representa a dissipação de energia.
No Sistema Internacional de Unidades, a permeabilidade é representada pela unidade Henry por metro (𝐻
𝑚), já a permissividade é representada pela
unidade Farad por metro (𝐹
𝑚). Geralmente os estudos que utilizam ondas
eletromagnéticas na faixa de micro-ondas utilizam as grandezas de permissividade relativa (εr) representada pela equação (2.3) e permeabilidade
relativa (µr) representada pela equação (2.4).
𝜀𝑟 = 𝜀 𝜀0 = 𝜀´−𝑗𝜀´´ 𝜀0 = 𝜀´𝑟 − 𝑗𝜀´´𝑟 (2.3) 𝜇𝑟 = 𝜇 𝜇0 = 𝜇´−𝑗𝜇´´ 𝜇0 = 𝜇´𝑟 − 𝑗𝜇´´𝑟 (2.4) onde 𝜀0 = 8,85. 10−12 𝐹
𝑚 representa a permissividade do vácuo,
𝜇0 = 12.256. 10−6 𝐻
𝑚 representa o vácuo,
ε´r representa a constante dielétrica real, e
ε´´r, representa a parte imaginária.
A condutividade elétrica (σ) representa uma grandeza bastante utilizada e de grande importância nas equações que envolvem micro-ondas, ela expressa a capacidade que um determinado material tem em conduzir corrente elétrica. A condutividade elétrica é representada no Sistema Internacional de Unidades pela unidade Siemens por metro (𝑆
𝑚) (Chen et al., 2004). As
equações relacionadas a permissividade são as (2.5) e a (2.6): 𝜀´´ = 𝜎
𝜀0𝜔 (2.5)
𝜀𝑟 = 𝜀´𝑟− 𝑗 𝜎
As grandezas de permissividade e permeabilidade não possuem valores constantes, são funções de frequência e da composição do material. Existem alguns mecanismos que contribuem para os valores de permissividade de um dado material e todos eles são dependentes da frequência da radiação; dentre eles estão a condução elétrica, a relaxação dipolar, a polarização atômica e a polarização eletrônica. Na faixa de micro-ondas, as variações da permissividade são causadas principalmente por relaxação dipolar. Abaixo, na figura 05, podem-se ver em quais faixas de energia as micro-ondas são geradas (TSIPOGIANNIS, 2013).
Figura 05: Faixa de energia onde as microondas são geradas.
Fonte:TSIPOGIANNIS, 2013. Em ondas de tamanhos milimétricos ocorrem diversas variações de permissividade. Para se calcular essas variações se aplicam a teoria de relaxamento do tipo Debye. A permissividade relativa de acordo com a teoria de Debye é representada pela equação (2.7) com (2.8), (2.9) e (2.10):
𝜀𝑟 = 𝜀𝑟∞ +
𝜀𝑟0 −𝜀𝑟∞
1+𝑗𝛽 (2.7)
Com
𝜀𝑟0 = 𝑙𝑖𝑚𝜔→0 𝜀𝑟 (2.9)
𝛽 = 𝜔𝑡 (2.10)
Pode-se ver na figura 06, um gráfico produzido à partir da equação de Debye na qual a permissividade é representada como um número positivo. Estudos mostram que a permissividade estática tende a baixar com o aumento da temperatura, pois as movimentações das moléculas ficam mais rápidas em temperatura elevadas e esse movimento faz os valores de permissivade diminuírem. (Chen etal., 2004).
Figura 06: Permissividade real e imaginária representada no modelo de Debye.
Fonte: CHOI et al, 1998
2.4.2 Phantoms
A confecção de estruturas análogas aos tecidos mamários, é indispensável para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas em imagens de mama. As técnicas mais conhecidas de imagem como a tomografia computadorizada, ressonância magnética, ultrassom, mamografia,
entre outros utilizam modelos de phantoms com propriedades humanas, para testes de calibração e verificação de reprodutibilidade (LAZEBNIK et al, 2005). Em técnicas ainda em estudo, como é o caso da tomografia de micro-ondas, esses modelos se fazem imprescindíveis para estudos e testes in vitro.
Um dos principais problemas no desenvolvimento de um sistema de imagem para detecção de câncer de mama por tomografia de micro-ondas é a falta de padrões na aferição. Para se produzir um sistema padrão, é necessário a construção de um tecido semelhante ao humano, com propriedades dielétricas precisas. Muitos pesquisadores usam objetos que são fisicamente ou dieletricamente muito diferentes do tecido humano, o que muitas vezes interfere negativamente numa reprodução confiável de imagem de mama gerada por micro-ondas (SALVADOR e VECCHI, 2009).
Modelos de mama realistas, também chamados de phantoms, que imitam as propriedades dielétricas do tecido mamário humano, são necessários a fim de testar e desenvolver tecnologias de imagem de micro-ondas. À medida que novos algoritmos para imagens de micro-ondas surgem, a caracterização desse material se torna mais acessível, com isso a realização e criação de testes e protocolos para elaboração de phantoms se fazem necessárias. Atualmente, a maioria dos pesquisadores usa phantoms homogêneos para testar novos algoritmos. Por se tratarem de estruturas simples, as mesmas não conseguem reproduzir com alta confiabilidade tais características uma vez que falta a heterogeneidade das propriedades dielétricas do tecido humano e por isso, muitas vezes, não são os mais adequados para testar estes algoritmos em imagens médicas. (LAZEBNIK et al., 2007).
Para se produzir um phantom é fundamental o desenvolvimento de um método sistemático com capacidade de combinar substâncias que reproduzam fielmente as propriedades dielétricas esperadas para uma variedade de tecidos. É necessário também que essas propriedades se sustentem ao longo de inúmeras medidas em uma determinada faixa de frequência. Determinar os materiais ideais bem como as quantidades necessárias de cada material na mistura para coincidir com a permissividade e condutividade desejada para uma determinada faixa de frequência não é tarefa fácil. Na maioria dos estudos existentes, as propriedades dielétricas ideais são conseguidas através de
misturas de substâncias conhecidas. Para um phantom mostrar um bom resultado, é importante que o mesmo traga em si a capacidade de combinar as propriedades dielétricas para uma variedade de tecidos ao longo de uma determinada frequência (KLEMM et al., 2009).
Outros fatores relevantes na escolha dos materiais para produção dos phantoms, é a garantia que os mesmos são de baixo custo, que possuem matérias de fácil obtenção e se são estáveis ao longo de grande período de armazenamento.
2.4.2.1 Materiais comumente utilizados na produção de phantoms
Vários são as substâncias que constituem esses phantoms, a busca pelo material ideal para a utilização de micro-ondas ainda é objeto de estudo. O gel de poliacrilamida foi uma das substâncias pioneiras na confecção de phantom, suas propriedades elétricas e sua forma em gel o tornaram bastante atraente para uso em pesquisas da área. Estudos pioneiros como o de Bini et al (1984) e de Andreuccetti et al (1988) tinham em sua metodologia o gel de poliacrilamida como principal constituinte dos phantoms de suas pesquisas. Com o tempo verificou-se que os phantoms desse material tinham um tempo de validade curto quando exposto ao ar, e quando mantidos em recipiente refrigerados suas características se mantinham estáveis por poucas semanas. Sua confecção era difícil e o acesso aos materiais era de difícil obtenção, com isso o gel de poliacrilamida foi sendo substituído por substâncias mais estáveis. Em estudos posteriores verificou-se que produtos oriundos da gelatina, tanto animal quanto vegetal, tinham boa estabilidade, fácil obtenção e metodologia fácil. O estudo de Marchal et al (1989) mostra de forma pioneira uma metodologia com gelatina e água destilada utilizada para simular tecidos com alto teor de água em micro-ondas nas faixas de 10 a 50 MHz. Já na pesquisa de Sunaga et al (2003) além de água e gelatina, ele utilizava mel e concentrações diferentes de cloreto de sódio (NaCl) para simular pele.
Diversas outras substâncias foram utilizadas na construção de phantoms para micro-ondas. Silicone em forma de borracha foi utilizada na pesquisa de Nikawa et al (1996), já na pesquisa de Chang et al (2000) foi utilizado plástico com acréscimos de materiais condutores na sua composição. No estudo de
Hahn e Noghanian (2012) foram utilizados óleo vegetal, propilenoglicol, gelatina e água para se produzir um phantom de mama heterogêneo e no estudo de Ortega-Palacios et al (2010) utilizou-se etanol e NaCl na formulação de phantoms de tumor.
A mama é composta de tecidos de natureza bem diferentes em sua composição, alguns com teor a mais de água e outros com baixa quantidade de água o que torna a reprodução das suas características dielétricas mais difíceis. As formulações com gelatina ainda são as mais indicadas na confecção do phantom de mama, devido a sua facilidade de molde, facilidade de fabricação, baixo preço e com boa estabilidade (LAZEBNIK et al, 2005).
Em estudos posteriores, percebe-se que a permissividade do tumor é maior cerca de 10-20% se comparada a permissividade do tecido normal, utilizar substância com altos valores de permissividade na confecção de phantoms de tumor ajuda a alcançar esses índices (LAZEBNIK et al, 2005).
2.4.2.2 Propriedades elétricas da água destilada
Para se validar um determinado método de aferição e caracterização de tecidos, é necessário o conhecimento das medidas e propriedades dielétricas do material escolhido e como as mesmas se comportam frente às frequências utilizadas na caracterização. As propriedades dielétricas variam de tecido para tecido e alguns fatores contribuem para essas mudanças. A água afeta diretamente as propriedades dielétricas e geralmente devido a sua capacidade de alterar essas propriedades, a mesma é escolhida regularmente como solvente para fazer parte da composição desses tecidos ou phantoms. Alguns álcoois conhecidos são utilizados para causar variação nas permissividades de líquidos, já o cloreto de sódio (NaCl) é utilizado para causar alterações na condutividade de líquidos (FRANKE, 2008). Uma vez que a água já foi aprovada e tem suas características dielétricas bem firmadas na literatura, foi escolhida como material de base e calibração de teste para sonda de medição do presente trabalho.
O uso da água destilada, na composição de tecido sintéticos para produção de phantoms, tem sido bastante explorado devido as suas
propriedades, onde a mesma é aplicada e testada sob variações de temperatura e frequência. A maioria dos tecidos humanos tem em sua composição um alto teor de água, e por a mesma ser uma substância fortemente polar, seu comportamento é constante frente a variações de campo magnético. A mudança da permissividade relativa da água é dependente da frequência da radiação utilizada no momento das medidas. Para se calcular os valores de permissividade da água e suas mudanças frente às frequências pode-se utilizar a equação de Debye (2.11) (FRANKE, 2008). Ao aplicarmos a equação para cálculo da permissividade relativa da água temos:
𝜀𝑟 = 𝜀∞+ 1+𝑗ωτ𝜀𝑆−𝜀∞ (2.11)
O modelo de Debye pode ser escrito em parte real e imaginária e fornece conclusões sobre as relações dependentes da frequência entre 𝜀′𝑟 e 𝜀"𝑟,𝑑. As equações para se calcular a parte real e imaginária são distintas (2.12e 3.18). A equação utilizada para se calcular a parte real é:
𝜀′𝑟 = 𝜀∞+ 1+ (ωτ)𝜀𝑆−𝜀∞2 (2.12)
e a equação utilizada para se calcular a parte imaginária é:
𝜀"𝑟,𝑑 = ωτ + 𝜀𝑆−𝜀∞
1+ (ωτ)2 (2.13)
Para a água destilada pura à temperatura ambiente, o valor de 𝜀𝑆 ≈ 81 e o valor de 𝜀∞ ≈ 5,6. Já o valor de t varia de acordo com a temperatura dos testes. A figura 07 mostra um gráfico da equação de Debye para a água destilada separados em parte real e imaginária, onde a temperatura se encontra em torno de 20°C e a frequência se encontra em 64 MHz. Observa-se que a parte real 𝜖′
𝑟 não difere muito na frequência de 𝜀𝑆 64 MHZ e temperatura
mesmo sofre pouca alteração em função da frequência (KAATZE; UHLENDORF, 1981).
Figura 07: Gráfico da parte real 𝜀′𝑟 e parte imaginária 𝜀"𝑟,𝑑 calculados pela equação de Debye para água destilada.
Fonte: FRANKE, 2008.
Quando queremos causar variações nos valores de condutividade de um determinando phantom, adicionamos NaCl à água destilada. Ao se acrescentar NaCl, aumentamos a concentração de sais na água e consequentemente aumentamos a condutividade da mesma de forma quase linear. Esse tipo de artifício é bastante utilizado quando se quer fazer pequenos ajustes nos valores de condutividade desses materiais (GABRIEL et al., 1996).
2.4.2.3 Propriedades elétricas de tecidos biológicos
Na literatura é possível encontrar vários trabalhos que tem como principal intuito a determinação e validação dos valores de permissividade e condutividade dos tecidos humanos em diferentes frequências. Geralmente nesse tipo de pesquiso a técnica mais usual para se caracterizar esse tipo de material é o método por transmissão de linha coaxial aberta (FRANKE, 2008).
